北斗卫星导航系统在轨信号监测与数据质量分析

北斗卫星导航系统在轨信号监测与数据质量分析欧阳晓凤;徐成涛;刘文祥;欧钢【摘要】导航信号质量监测平台由全向天线及高增益接收天线单元、监测接收机、下变频器、信号采集存储设备和PC信号质量分析软件组成,实现了在轨卫星的数据层长期评估和信号层精细分析.利用导航信号质量监测平台,对北斗、GPS、GLONASS等卫星信号的时域、频域、调制域、相关域、测量域等质量进行了评估,并对码减载波、码相位相干性和信号相关峰等关键指标进行了具体分析与比较.结果表明:目前北斗系统在轨信号质量与GPS信号质量相当,略优于GLONASS信号质量.【期刊名称】《全球定位系统》【年(卷),期】2013(038)004【总页数】6页(P32-37)【关键词】在轨信号评估;全球导航卫星系统;信号质量【作者】欧阳晓凤;徐成涛;刘文祥;欧钢【作者单位】国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心,湖南长沙410073;国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心,湖南长沙410073;国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心,湖南长沙410073;国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】TN967.10 引言导航信号质量分析技术是我国北斗卫星信号质量的地面测试与在轨监测的重要保障，为系统故障诊断、卫星信号完好性监测等提供重要支撑。

目前GPS和Galileo都建立了成熟的导航信号质量监测分析系统。

这些系统都是通过共用已经建成的用于科学研究的大口径抛物面天线，或自建小口径自动跟踪的抛物面天线，实现对信号的高增益接收，完成对导航信号参数的精细分析及实时监测功能。

这些系统在卫星初始在轨测试和信号异常故障定位方面发挥了重要作用。

但是国外导航信号监测分析系统大都是进行离线事后分析的研究型平台，未接入系统在线工作运行而直接对系统和用户产生效益，没有解决好快速在线告警与离线精确分析结合的问题。

GPS由SRI在斯坦福大学建设了信号特性及参数分析系统，该信号质量监测系统共用了斯坦福大学用于科学研究的47m大型操纵型天线，天线增益高达52dB，可在不解扩的情况下直接对信号进行测量。

但该天线必须人工控制，数据采集的周期很慢，无法做到对卫星进行全时段的实时监测。

为此SRI又建立了具有自动跟踪功能的监测系统，使用直径1.8m天线进行自动跟踪功能，可在无人工参与的情况下对可视卫星进行全时段的监测[1]。

Galileo在建设初期就非常重视对信号特性及参数的分析，在试验卫星GIOVE－A 和GIOVE－B发射之后，就对卫星信号的接收功率、调制质量等参数进行了充分的验证。

伽利略系统的空间信号测试任务主要由欧洲空间技术研究中心（ESTEC）的导航实验室完成，并组建了多个地面观测站，包括英国Chilbolton天文台[2]和荷兰Noordwijk监测站[3]。

这两套系统的结构类似，都是由业已建成的高增益天线及Galileo全向天线、低噪声放大器、标准测量仪器、高速数据采集设备Bitgrabber、伽利略测试接收机（GETR）等设备组成。

本系统结合目前国内外信号质量监测现状，将监测接收机一致校验系统粗检与大口径高增益天线伺服系统精检相结合，实现了在轨卫星的数据层长期评估和信号层精细分析。

1 导航信号质量监测平台设计1.1 工作原理为实现对北斗和其它导航系统的在轨信号质量监测，搭建导航信号质量监测平台，对各大系统在轨星座的全网信号质量实时监测、异常卫星的单星评估和地面试验卫星的质量监控。

系统工作原理如图1所示。

图1 导航信号质量监测系统工作流程图上图中工作流程包括监测接收机通过全向天线全时段接收并将接收到的各系统在轨卫星信号通过信号分析软件进行长期的数据层粗略检测，主要包括信号多普勒、载噪比、伪距测量值、载波相位测量值以及相关峰的评估。

当三台监测接收机中两台以上发生异常告警时自动启动异常监测模式，或由卫星工况或其它异常信息反馈控制，触发大口径抛物面天线对异常卫星进行跟踪，经采集系统回放异常信号，由信号质量分析软件进行精细的在线短时间隔式分析。

涵盖卫星信号的时频、频域、调制域、测量域，具体分析指标如表1所示。

1.2 功能描述GNSS导航信号质量监测与分析系统包括天线单元、信号监测接收单元、射频采样与数字下变频单元、信号采集存储单元、信号质量分析评估与监控单元，共同完成信号质量监测与分析。

它们之间的关系如图2所示。

表1 精细评估指标分类分类具体指标频域功率、带内谐杂波、带外杂散、相位噪声调制域星座图、相位／幅度失真、误差矢量幅度、矢量图、载波抑制、包络峰均比相关域相关峰、S曲线、相关损失、T－Offset、信号功率、眼图、群时延波动测量域频内伪码相位一致性、频间相位互差、频间相位互差稳定性、IQ正交性、载波与伪码相干性时域测距码符号、导航电文符号、电平直方图图2 GNSS系统导航信号质量监测系统图2中天线单元完成在轨卫星信号的跟踪，包括全向天线对全网在轨星座的信号全时段接收，以及7.5m大口径天线对指定单颗卫星的信号高增益接收。

信号监测接收单元由三台同源监测接收机进行实时连续的全网监测接收，在DSP 处理器高层调度程序控制下，完成对信号的捕获、跟踪、锁定检测、数据恢复、测量处理等操作，获得信号载噪比、伪码相关峰、伪距载波相位观测量、导航电文等数据文件。

射频采样与数字下变频单元和信号采集存储单元共同完成射频信号的数字下变频、带通滤波、A／D采样及信号回放。

为实现系统的短时实时在线分析，该单元支持中频信号整段采集存储的同时分段截取数据流至磁盘阵列，信号回放过程读取磁盘阵列中待分析信号文件，分段流盘并输出至信号质量分析评估监控单元。

信号质量分析评估与监控单元由系统PC终端软件完成，包括数据层和信号层的分析处理。

该单元可对全网监测接收结果进行一致性校验及数据层粗略检测，发现异常后告警并触发单星跟踪模式及信号精细检测对全网监测接收结果进行一致性校验及数据层粗略检测，发现异常后告警并触发单星跟踪模式及信号精细检测。

信号层的精细检测输入为分段流盘数据，由软件接收机完成捕获跟踪后进行全指标分析，分析结果按域可视化输出至用户界面，并实时存储分析结果文件。

系统具体功能与设备描述如表2所述：表2 信号质量监测分析系统功能功能功能描述功能设备在轨卫星跟踪全网星座信号全时段接收全向天线单星的信号高增益接收大口径天线平行一致校验三台同源监测接收机实时连续的全网监测接收监测接收机信号质量粗检一致校验接收单元结果及数据层粗略检测信号质量分析软件信号采集存储射频信号的数字下变频采样数据存储实时在线分析下变频器采集系统信号回放读取采样数据分段流盘输出回放设备信号质量精检指标分析、结果保存及用户界面显示信号质量分析软件1.3 软件设计系统PC终端装载信号质量分析软件，该软件接收来自于采样系统传输子模块的采样数据，对信号的相关指标进行实时的长期数据层分析和事后信号层短时分析，将信号相关域、调制域、频域、时域、测量域指标分析结果存储并输出至软件界面显示。

软件与系统的外部接口读取采集存储系统的中频或基带采样数据文件，软件内部设计分为界面及信号分析算法两部分，内部接口设计及工作流程如图3所示。

图3 信号质量分析软件工作流程图2 实测数据分析结果2.1 实测场景设置利用上述导航信号质量监测平台，对北斗在轨信号和其它导航系统信号进行了实际评估。

分别使用 Trimble接收机对 GPS－PRN15、GLONASSPRN12和北斗二代一期MEO－12号卫星在轨信号开展实测，其中指标精细检测场景下采用本单位7.5m转台天线（如图4所示）进行高增益接收，由评估单元的软件完成时域、频域、调制域、相关域、测量域等精细检测的指标分析。

图4 国防科大导航中心信号监测7.5m大口径天线粗略检测场景使用全向天线（如图5所示）。

两种天线接收的信号由系统采集存储小系统回放（如图6所示），并由终端PC软件进行全星座的长期数据层分析和全指标信号层分析。

2.2 数据质量分析结果多系统信号质量的数据层检测主要完成信号的数据层长期评估，对平行一致校验后的异常信号载噪比、伪码相关峰、伪距载波相位观测量、导航电文等数据进行粗略分析，主要分析指标包括码减载波、频间相位互差稳定性和相关峰对称性。

图5 国防科大导航中心信号监测全向天线图6 信号监测采集回放系统对卫星信号质量的在轨测试中，为剥离电离层延迟和本地多径的影响，采用7.5m 大口径天线进行单星窄波束跟踪和高增益接收时。

使用本系统监测接收机在大口径天线测试场景下分别对GEO、MEO和IGSO卫星进行分析，剥离电离层延迟后得到的码减载波（CMC）[4]结果如图7所示。

由图中实测结果可知，使用本单位自主研发的北斗监测接收机对北斗各类卫星进行测量，不同卫星信号质量受到卫星多普勒和传输路径的影响，GEO优于MEO和IGSO卫星，具体CMC标准差结果如图7所示。

图7 北斗GEO／MEO／IGSO卫星信号CMC分析为比较北斗与其它导航系统性能，使用Trimble接收机得到的码减载波结果如图8所示。

图8 GPS／GLONASS／北斗卫星信号CMC分析（大口径天线）北斗和GPS、GLONASS系统信号的CMC结果标准差如表3所示，可见由于Trimble接收机的前端设计，在相同信噪比等条件下对GPS信号频点灵敏度较高，码载波测量精度和相干性略优，但北斗信号质量基本与GPS信号质量相同，具体CMC标准差结果如图10脚注和表3所示。

表3 GPS＼BDS＼GLONASS频点1、2的CMC标准差频点GPS GLONASS BDS频域0.415 1 0.577 4 0.073 1调制域0.303 0 0.511 1 0.187 5信号相关峰质量监测主要衡量信号相关峰对称性、相关峰延迟、平顶畸变等变化信息，根据信号跟踪得到的码相位和载波频率，复现本地载波，得到I／Q两路正交双通道的基带信号。

对基带信号与本地跟踪的伪码进行相关运算，并求其包络即可得到信号的相关峰波形。

根据相关峰对称性系数可直观地判断卫星信号是否发生异常，以GPS、GLONASS、北斗系统的频点1信号为例，GPS和北斗星上信号相关峰特性最优，对称性系数约为0.99，GLNASS稍差，对称性系数约为0.94.具体分析结果如图9所示。

图9 GPS／GLONASS／北斗系统各频点信号相关峰及对称性频间相位互差表示导航系统各个频点间伪码同步程度，具体计算同样用相关峰的间隔距离表示，而频间相位互差稳定性表示频间相位互差随时间变化的性能，可用方差表示，以各系统信号为例具体计算结果如表4所示。

表4 各系统频点1、2的伪码相位互差系统GPS GLONASS BDS伪码相位互差稳定性0.414 6 0.798 2 0.540 8由表4可知，采用大口径天线消除信噪比低、多径和干扰等因素对地面信号监测的影响后，GPS星上发射信号质量最优，北斗信号稍次之，GLONASS稳定性较差。